用于高层玻璃幕墙建筑的新型动态垂直光伏一体化建筑围护结构

邹武威 ,  汪琰 ,  田恩泽 ,  魏嘉泽 ,  彭晋卿 ,  莫金汉

工程（英文） ›› 2024, Vol. 39 ›› Issue (8) : 194 -203.

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工程（英文） ›› 2024, Vol. 39 ›› Issue (8) : 194 -203. DOI: 10.1016/j.eng.2024.01.014
研究论文

用于高层玻璃幕墙建筑的新型动态垂直光伏一体化建筑围护结构

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A New Dynamic and Vertical Photovoltaic Integrated Building Envelope for High-Rise Glaze-Facade Buildings

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摘要

现代高层建筑广泛采用大面积玻璃幕墙，以实现引人注目的建筑美学效果。对于玻璃幕墙建筑而言，建筑美学、建筑能耗以及太阳能利用之间存在着固有矛盾。本研究通过引入一种新型动态垂直光伏一体化建筑围护结构（dvPVBE）来解决这些矛盾，该结构具有非凡的灵活性，能够根据天气变化调节百叶角度和位置，并且具有卓越的建筑美学效果以及显著的节能潜力。针对dvPVBE的不同应用场景，提出了三种分层控制策略：发电优先（PGP）、自然采光优先（NDP）和节能优先（ESP）。此外，在dvPVBE的仿真中，对PGP和ESP策略进行了深入分析。通过EnergyPlus软件对一间集成了dvPVBE的办公室进行了建模。研究了在PGP和ESP控制策略下，dvPVBE对提高建筑能效的影响以及相应的最优百叶角度。结果表明，在北京地区应用dvPVBE可提供办公室全年能耗的131%，并且与静态光伏百叶窗相比，年净能源产出至少可提高226%。这种新型dvPVBE提供了一种有效调节热负荷、自然采光和光伏发电的可行方法。

Abstract

Substantially glazed facades are extensively used in contemporary high-rise buildings to achieve attractive architectural aesthetics. Inherent conflicts exist among architectural aesthetics, building energy consumption, and solar energy harvesting for glazed facades. In this study, we addressed these conflicts by introducing a new dynamic and vertical photovoltaic integrated building envelope (dvPVBE) that offers extraordinary flexibility with weather-responsive slat angles and blind positions, superior architectural aesthetics, and notable energy-saving potential. Three hierarchical control strategies were proposed for different scenarios of the dvPVBE: power generation priority (PGP), natural daylight priority (NDP), and energy-saving priority (ESP). Moreover, the PGP and ESP strategies were further analyzed in the simulation of a dvPVBE. An office room integrated with a dvPVBE was modeled using EnergyPlus. The influence of the dvPVBE in improving the building energy efficiency and corresponding optimal slat angles was investigated under the PGP and ESP control strategies. The results indicate that the application of dvPVBEs in Beijing can provide up to 131 % of the annual energy demand of office rooms and significantly increase the annual net energy output by at least 226 % compared with static photovoltaic (PV) blinds. The concept of this novel dvPVBE offers a viable approach by which the thermal load, daylight penetration, and energy generation can be effectively regulated.

关键词

气候响应式立面 / 建筑能效 / 动态光伏一体化建筑围护结构（PVBEs） / 光伏建筑一体化（BIPVs）

Key words

Weather-responsive facades / Building energy efficiency / Dynamic photovoltaic integrated building / envelopes (PVBEs) / Building-integrated photovoltaics (BIPVs)

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邹武威,汪琰,田恩泽,魏嘉泽,彭晋卿,莫金汉. 用于高层玻璃幕墙建筑的新型动态垂直光伏一体化建筑围护结构[J]. 工程（英文）, 2024, 39(8): 194-203 DOI:10.1016/j.eng.2024.01.014

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1 引言

2020年，建筑和建造业能源需求占全球能源需求总量的36%，其与能源相关的二氧化碳（CO2）排放量占必达37% [1]。在采用大面积玻璃幕墙的高层建筑中，这一问题尤为严重。玻璃幕墙也被认为是建筑构件中能效最低的部分[2‒3]。这种低效主要是由于玻璃幕墙导致的大量太阳得热或损失[4]。因此，与传统建筑相比，玻璃幕墙建筑的能耗显著增加[5]。通过对建筑围护结构进行改造，特别是采用遮阳装置，已被证明对提升室内热舒适、改善节能效果和减少日光眩光具有积极作用[6]，并对提高建筑能效至关重要 [7‒9]。然而，传统的遮阳装置仅反射而未能有效利用太阳辐射，造成大量太阳能的浪费[10]。通过将遮阳装置与光伏技术相结合，构建光伏一体化建筑围护结构（PVBE），使其成为光伏建筑一体化（BIPV）的重要组成部分[11]。

PVBE在被动降低供热、通风和空调（HVAC）负荷，以及主动利用建筑立面太阳能发电方面发挥着重要作用，尤其是在高层建筑聚集的城市区域[12‒13]。Kant等[14]开展了一项全面的数值研究，以模拟不同PVBE设计参数对建筑性能的影响，但忽略了建筑热区的相互作用。Mandalaki等[10]研究了13种固定遮阳装置，结果表明，所有集成了光伏板的南向遮阳装置产生的电力能够满足参考办公室的照明需求。大多数报道的PVBE采用固定角度的光伏板和光伏百叶，被称作静态PVBE [15‒16]。然而，这些静态PVBE由于缺乏可调节性，无法满足居住者的视觉舒适度，也无法响应天气和季节变化。例如，在晴朗的夏季，静态PVBE能够有效减少冷负荷并利用太阳能发电，但在冬季多云的日子里，它们可能会增加供暖和人工照明负荷。Long等[17]对中国长春一个集成了光伏板的固定挑檐式学生公寓的建筑能耗及光伏发电量进行了模拟分析。研究结果显示，与未配备遮阳系统的建筑相比，该公寓全年供暖负荷增加了30%以上。因此，随着太阳光的入射角度和其他环境特征在一天中不断变化[18]，静态光伏板和光伏百叶窗无法始终如一地实现对太阳能的最大化利用。

近年来，为了进一步提高建筑能效，研究人员开始关注具有高动态性和气候响应能力的PVBE。Mohtashami等[19]对动态PVBE的设计技术要点和需求进行了全面的综述，为该领域的发展提供了理论支持。Rotas等[20]对采用动态PVBE技术改造的建筑物的全年能耗改善情况进行了评估，并证实了该技术具有显著的节能潜力。Abdullah等[21]提出了一种集成了太阳能电池的双轴太阳追踪遮阳装置，强调了其在降低建筑能耗中的重要作用。Svetozarevic等[22]开发了一种动态光伏模块，该模块可以主动调节太阳辐射，并能够满足一间办公室全年115%的净能源需求。Paydar [23]设计了一种可移动的倾斜光伏板，与固定光伏板相比，该设计可以有效降低热负荷。Krarti [24]针对住宅建筑提出了一种新型动态挑檐设计，并评估了其在美国多种气候条件下的节能潜力，研究结果表明，采用滑动-旋转式的光伏挑檐可以显著降低美国住宅单元的供暖和制冷能耗，并增加发电量。近年来，尽管在推动动态PVBE的发展方面做出了重要努力，但上述大多数动态PVBE并未专门针对拥有大面积玻璃幕墙的高层建筑进行设计。例如，Paydar [23]和 Krarti [24]提出的可移动光伏遮阳装置需要额外的外墙空间以实现位置变换，这对于外墙面积有限的大型玻璃幕墙建筑提出了挑战。这些大面积且不可收放的遮阳装置还会对建筑美学产生不利影响。此外，Abdullah等[21]和Svetozarevic等[22]提出的动态可调光伏阵列具有用于太阳追踪的多功能机械结构，能够实现太阳能的高效利用。然而，由于其结构相对复杂且抗风性能较弱，这些设计并不适合高层建筑，从而限制了其在城市中的大规模应用。因此，开发简单、灵活、智能的光伏遮阳装置仍然是建筑领域面临的重要挑战。

本研究提出了一种新型的动态垂直光伏一体化建筑围护结构（dvPVBE），该结构不仅保留了传统PVBE的基本功能，还能够响应天气变化，并在一定程度上减轻对建筑美学的影响。具体而言，dvPVBE由电动光伏百叶衍生而来，具有现代化的设计风格、紧凑的结构布局以及能够灵活调节的百叶角度和位置。通过动态调整百叶角度和位置，dvPVBE能够适应多种天气条件，在提升室内热舒适度和视觉舒适度的同时，实现光伏发电。相较于现有的能够自动追踪太阳的PVBE系统，这种新型dvPVBE系统在应对天气变化方面具有出色的灵活性，并有助于降低建筑综合能耗。本研究基于不同场景提出了三种dvPVBE控制策略，并对其中两种策略进行了深入仿真分析。此外，利用EnergyPlus软件对dvPVBE的可调节百叶角度在提高建筑能效方面的潜力进行了模拟，并开发了一种求解dvPVBE逐日和全年最优百叶角度配置的通用方法。研究结果表明，dvPVBE在提高建筑能效方面效果显著。

2 dvPVBE

2.1 dvPVBE的设计

本研究提出的dvPVBE作为幕墙的紧密外层结构，与玻璃幕墙实现了高度集成[图1（a）]。dvPVBE的主体部分包括框架结构和百叶板，由铝合金材料制成，重量轻、强度高，可抵御恶劣天气。百叶板集成了太阳能电池，并通过隐藏在框架顶部结构中的电机控制器实现动态调节。此外，紧凑、可调节且收放自如的百叶设计也减轻了对建筑美学的负面影响。

与传统的静态外遮阳百叶不同，dvPVBE的百叶可以停在框架的任意高度位置，并通过电机精确的行程控制实现0°~90°的旋转。附录A中的视频S1展示了dvPVBE装置原型的多种功能及其实际运行过程。装置原型的机械结构源自一家中国公司开发的现有电动百叶装置，百叶可以实现部分或全部展开。当百叶位置固定后，百叶角度可以在0°~90°之间调节，分别对应百叶板的垂直和水平位置。上述控制可通过无线遥控和计算机控制实现。基于上述功能，dvPVBE既可以独立智能地调整百叶暴露在太阳辐射下的面积大小，也可以调整百叶角度，以减轻实时天气变化对室内环境的影响。dvPVBE还可通过将传感器集成到框架结构中，实现有效的环境监控和运维管理，包括但不限于对温度、风速、入射太阳辐射和发电量等关键参数的监测。

气候响应型dvPVBE的多功能性可被概括为“一石三鸟”，体现在百叶角度与位置调节的非凡灵活性、卓越的建筑美学以及显著的节能潜力。

（1）响应天气变化的百叶角度与位置调节所具有的非凡灵活性。如图1（b）~（e）所示，可调节的百叶角度和位置能够实现多种动态组合，以适应天气变化并满足居住者的需求。

（2）卓越的内外建筑美学。dvPVBE与建筑外立面紧密集成，拥有现代设计、金属外观和紧凑的结构布局[图1（a）]。通过灵活的百叶调节，dvPVBE为户外行人和室内居住者提供了开阔且可调节的视野。

（3）显著的节能潜力。集成了光伏的dvPVBE可以有效调控建筑物立面上的太阳能。百叶角度可随太阳位置的变化而调整，以最大化太阳能电池表面的入射太阳辐射。此外，dvPVBE在夏季能通过阻挡阳光直射来降低冷负荷[图1（c）]，在冬季则能通过增加室内太阳得热来减少热负荷[图1（e）]。dvPVBE还能够通过增加采光降低照明负荷。

2.2 dvPVBE的控制策略

如图1（a）所示，dvPVBE的结构参数包括百叶板宽度（W）、深度（L）、间隔（d）、角度（θ）和百叶位置（H，即从框架顶部到百叶底部的距离）。通常，百叶板宽度、深度和间距是固定的，并在设计阶段根据窗户尺寸确定[25]。本研究探讨了dvPVBE百叶角度和位置的控制策略，并通过仿真分析评估了可调百叶角度对建筑能效提升的影响。

dvPVBE具有两种操作模式：手动和自动。手动模式允许室内居住者自主控制。例如，居住者可以通过升高[图1（b）]或降低百叶[图1（d）]改善室内视觉舒适度。自动模式则通过预设的计算机程序，根据气象条件和居住者需求自动调节百叶位置和角度。

图2展示了dvPVBE在自动模式下的三种分层控制策略：发电优先（PGP）、自然采光优先（NDP）和节能优先（ESP）。控制系统集成了四种类型的传感器，包括用于测量建筑立面太阳辐射的日射强度计、用于侦测室内居住者的红外传感器、用于测量室内光照水平的照度计及用于监测实时用电量和发电量的功率计。dvPVBE能够按照预定的时间间隔执行控制循环。

（1）PGP策略。该策略适用于非工作时间或当房间空置时。此策略通过调整百叶位置H和角度θ，尽可能提高光伏百叶表面的太阳辐射量，从而实现光伏发电量最大化。首先，百叶将完全展开，即百叶位置H等于H 0 [H 0代表框架的高度，即从框架结构顶部到底部的垂直距离，如图1（a）所示]。然后，调整百叶角度θ，直至达到光伏发电量最大化对应的最优角度（θ p）。最后，记录并执行最优角度θ p。根据以往的研究结果，θ p与太阳高度角相关，在不考虑光伏组件自遮阳的情况下，通常设定为与太阳剖面角垂直 [26‒27]。

（2）NDP策略。该策略旨在充分利用自然光来改善人员在室时的室内照度。具体实施步骤如下。首先，将H设置为H 0，并将θ设置为PGP策略中所述的最优发电角度θ p。接下来，测量室内照度I并与设定值I 0进行比较。若I大于等于I 0且小于2000 lx，则保持当前的H和θ不变。若I大于等于2000 lx，则将θ略微减小Δθ，直至I小于2000 lx。若I小于I 0，将θ略微增大Δθ，直至I超过I 0。若I仍然小于I 0，将H略微提升ΔH，直至I超过I 0。最终，通过充分利用自然光可以满足室内照明需求，并减少照明负荷。

（3）ESP策略。该策略旨在使房间净能耗最低。因此，综合考虑了HVAC和照明系统的能耗，以及光伏发电量。由于建筑热惯性、室内热质量扩散、热传递和空调系统分配效率等因素，空调系统的响应存在明显滞后[28‒30]。这种固有的滞后性以及由此带来的供热和制冷系统的控制困难，使得实时净能耗的精确优化难以实现。图2所示的控制逻辑提供了一种近似但实用的方法。首先，将H设置为H 0，并将θ设置为θ p。其次，房间的净能耗W net通过公式（1）计算。接下来，将H略微提升ΔH，并相应得到W net,new。若W net,new小于W net，则重复第三步直至W net,new大于W net。若W net,new大于W net，则百叶将恢复至之前的状态。这种可行的控制策略可以有效降低净能耗。

W n e t = W H V A C + W L i g h t - W P V

式中，W HVAC代表HVAC系统的瞬时功耗；W Light代表照明系统的瞬时功耗；W PV代表光伏的瞬时发电量；W net代表房间的瞬时净能耗。瞬时功率通过功率计测定。

2.3 仿真设置

本研究通过仿真建模探讨了dvPVBE的节能潜力及最优配置方案。如附录A第S2节中的图S1所示，使用三维建模软件SketchUp构建了一栋位于中国北京的24层办公楼的几何模型。模型假设办公楼周围无其他高层建筑，因此在模拟中忽略了周围建筑引起的阴影遮挡和反射。研究选取了建筑南立面的一个面积为5 m × 5 m × 3 m的南向房间作为研究对象。除了暴露在室外的玻璃幕墙外，室内环境中的所有其他表面（墙壁、地板和天花板）均假设与相邻房间处于相同的室内温度，从而设置为绝热边界条件[31]。玻璃幕墙的尺寸为4.8 m × 2.184 m，窗墙比为70%。具体而言，玻璃幕墙由双层玻璃窗构成，其传热系数（U值）为1.8 W·m-2·K-1，太阳得热系数为0.4，外墙的传热系数为0.485 W·m-2·K-1。建筑围护结构的参数设置符合中国《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015）[32]。表1 [33‒34]汇总了建筑模型的关键信息。HVAC系统的启停取决于北京的气候，制冷模式从5~9月开启，以确保室内温度保持在26 °C以下；制热模式从11月至次年2月开启，以确保室内温度保持在18 ℃以上。此外，HVAC系统在工作日提前一小时启动，为早上8时上班的员工提供舒适的室内热环境。因此，HVAC系统在工作日从早上7时到下午6时运行。

如图S1所示，dvPVBE安装在玻璃幕墙外表面，由24块集成了太阳能电池的百叶板组成。每块百叶板包含26个串联的由晶科能源（中国）生产的太阳能电池。百叶板间距（d）与深度（L）之比设置为1（d/L = 1），以提高室内视觉舒适度。百叶板和太阳能电池的详细信息列于表1中。

在本研究中，使用开源建筑能耗模拟软件（EnergyPlus, 9.6版本）对参考房间进行了能耗模拟。该软件可以模拟瞬态热传导、室内照明控制以及光伏发电[35‒36]。为了全面评估dvPVBE的性能，在EnergyPlus中采用多个子模型进行模拟，包括热平衡、采光以及光伏发电模型[37]。EnergyPlus中的热平衡模型用于模拟建筑物内的热传递和热流，并计算建筑的供暖和制冷负荷[38]。传热模拟采用CTF（conduction transfer functions）算法，该算法在建筑能耗分析领域已经得到了广泛验证。采光模型用于模拟不同百叶角度下的室内照度，并分析其对照明负荷的影响。室内照度参考点设置在房间中心距离地面0.75 m处，设定值为300 lx，房间照明采用连续调光控制。光伏发电模型选择等效二极管模型，即五参数模型[39]，通过等效电路对光伏发电量进行预测。

对于dvPVBE的控制策略，非工作时段采用PGP策略，工作时段采用ESP策略。由于NDP策略受居住者偏好影响较大，因此留待未来研究深入探讨。为了验证dvPVBE在提高建筑能效方面的效果，并与静态光伏百叶进行比较，仿真主要关注可调百叶角度对建筑能耗的影响。具体地，在模拟中将百叶全部放下，位置设定为H 0，与以往研究中的传统光伏百叶设置一致[31,40]。

dvPVBE的最优百叶角度是通过一系列静态光伏百叶模拟组合得到的。通过研究角度为0°~90°，以5°为增量的19个静态光伏百叶案例，逐时选取19个案例中净能耗最低的角度，组合作为dvPVBE的最优配置。不同案例中的HVAC负荷、照明负荷和光伏发电量各不相同，共同决定了房间的净能耗。与HVAC负荷、照明负荷和光伏发电量相比，dvPVBE中电机和控制器的能耗可以忽略不计，这主要是因为它们运行具有间歇性并且额定功率较低。19个静态光伏百叶案例以及dvPVBE全年的详细模拟数据见附录A中的第S3节。求解dvPVBE最优配置的方法适用于各种环境条件。本研究以北京为例，评估了dvPVBE的能效表现。

3 结果与讨论

3.1 北京典型日dvPVBE的优化配置

为了深入分析季节变换对于dvPVBE节能性能和最优配置的影响，并为全年配置优化提供参考，本研究选取春分、夏至、秋分和冬至前后的四个典型日进行研究。春分标志着太阳直射赤道并向北移动，夏至是太阳直射点位于一年中最北端的时刻，秋分标志着太阳直射赤道并向南移动，冬至则是太阳在北半球一天中高度角最小的时刻。所选的四个典型日均为阳光充足的工作日，具有较高的太阳辐射水平。关于所选典型日的详细信息，请参见附录A第S2节中的表S1。图3展示了北京典型日房间逐时的HVAC负荷、照明负荷、光伏发电量以及相应的最优百叶角度。由于HVAC系统在工作日提前一小时启动，因此早上8时之前的较高能耗是由HVAC系统的启动负荷引起的。考虑到其他电气设备的能耗保持不变并且不影响最优配置，在此处不予讨论。

图3（a）和（c）展示了在春分和秋分期间，从上午8时到下午4时，光伏逐时的发电量（蓝色）远超过HVAC和照明的逐时能耗（灰色）。这表明dvPVBE的太阳能电池在白天的大部分时间里产生的电力足以满足房间的能源需求。然而，在夏至期间，由于冷负荷快速增加，这一趋势有所下降，甚至在某些时段出现了相反的情况，如图3（b）所示。此外，在冬至期间，由于太阳高度角较低，光伏发电量在午后仍然占主导地位，能够覆盖全天超过70%的能耗，如图3（d）所示。

dvPVBE的最优逐时百叶角度受到HVAC、照明和光伏系统的综合影响。图3（a）和（c）表明在春分和秋分期间，当太阳直射赤道时，逐时百叶角度变化范围为40°~90°，且白天基本稳定在45°左右。由于春分期间天气温和，HVAC负荷远低于光伏发电量，可以忽略不计。例如，图3（a）显示，从上午11~12时，光伏发电量超过了1.08 kW∙h，几乎是全天HVAC和照明负荷的两倍。因此，百叶角度的优化主要考虑照明负荷和光伏发电量。对于照明负荷，模拟表明在45°或更大的百叶角度下，自然采光能够提供足够的照明以满足室内照度需求。基于此，房间的照明系统被调暗以降低照明负荷。而随着百叶角度的增加，百叶板表面的入射太阳辐射减少同时受到组件自遮阳的影响，光伏发电量逐渐减少，并对光伏性能产生不利影响 [41]。因此，减小照明负荷和增加光伏发电量之间存在权衡。在清晨太阳辐射较低时，百叶角度调整到接近90°以最小化照明负荷；而在下午太阳辐射较高时，百叶角度优化为45°左右以最大限度地利用自然采光和太阳能。同样的调控方法也适用于秋分期间。

在夏至期间，冷负荷显著增加，但由于百叶板排列紧密，百叶角度的变化对冷负荷影响较小。例如，在下午1时至2时之间，当百叶角度从0°调整至90°时，冷负荷仅增加了不到0.03 kW∙h。相比之下，照明负荷减少了超过0.2 kW∙h，仅为0°时的10%。与此同时，由于组件自遮阳严重，光伏发电量受百叶角度变化的影响并不明显。因此，如图3（b）所示，百叶角度的优化主要考虑照明负荷，最佳角度约为70°，以提供充足的日光照明。

在冬至期间，百叶角度调整为90°，以允许阳光充分进入室内，从而减少供暖和照明负荷。然而，由于太阳高度角和组件自遮阳较低，0°的百叶板最有利于太阳能利用。因此，从中午12时到下午4时，百叶角度优化在65°左右，使得dvPVBE全天可以产生超过4.44 kW∙h的清洁电力。其余时间百叶角度接近90°，以尽量降低供暖和照明负荷，如图3（d）所示。

表2总结了在北京四个典型日中，dvPVBE和五种静态光伏百叶的能耗表现。如果净能耗为负，则代表光伏发电量大于HVAC和照明负荷，净能耗的绝对值表示净能源产出。结果表明，静态光伏百叶的性能随季节变化明显。例如，百叶角度为90°的静态光伏百叶在冬至期间性能最好，但在夏至期间性能最差，这是由于在HVAC和照明负荷方面节能潜力的下降。尽管如此，dvPVBE通过平衡HVAC、照明负荷和光伏发电量，实现了净能源产出增加34.7%以上。从表2中可以看到，dvPVBE在温带和热带气候地区具有应用潜力。

3.2 北京全年dvPVBE的优化配置

根据附录A中第S3小节的模拟结果，图4采用热图形式呈现了在PGP和ESP策略控制下，dvPVBE全年逐时优化的百叶角度[42]。为了更清晰地展现不同月份的百叶角度变化，并减少气象波动的干扰，选择每个月每天同一小时百叶角度的中位数在热图中进行呈现。此外，百叶角度在每天早上7时至下午6时期间进行调节，而在其余时段，百叶角度固定在0°，以此在无建筑能耗和光伏发电的情况下保护室内隐私。

图4表明，在全年大部分时间里，百叶角度的优化集中在45°~60°区间，以实现最低净能耗。在清晨，通常采用接近90°的较大百叶角度，以减少照明负荷。此外，百叶角度的变化也表现出明显的季节性特征。在冬至后，随着太阳直射点北移，受光伏发电影响，居中的百叶角度占主导地位。例如，3月逐时最优百叶角度从上午10时到下午3时基本稳定在45°，这与春分日的优化结果一致。5~8月，白天的百叶角度逐渐增加至65°，降低照明负荷的同时保证光伏发电。而在冬至前太阳直射点南移的过程中，百叶角度仍然优化在45°，以充分利用自然采光和太阳能。11月至次年2月，最优百叶角度增加至60°，保证室内阳光充足，从而减少供暖负荷。

图5对比了在北京应用dvPVBE和静态光伏百叶的全年能耗情况，包括光伏发电量、HVAC和照明负荷、其他电气设备负荷（图5中标记为“Others”）以及净能源产出（图5中标记为“Total”）。在所有案例中，其他电气设备负荷保持在每年783 kW∙h不变。静态光伏百叶的净能源产出随着百叶角度的增加先上升后下降。此外，百叶角度在45°~60°的静态光伏百叶表现出最佳的净能源产出，这与Li等[43]报道的结果相符。在5个静态光伏案例中，45°光伏百叶得益于HVAC、照明以及光伏发电的良好平衡，具有最大的年净能源产出，为153 kW∙h。

尽管如此，相比于45°光伏百叶，dvPVBE仍然表现出显著优势，HVAC和照明负荷降低了32.5%，而光伏发电量仅降低了2.4%。dvPVBE的光伏发电量能够满足办公室全年131%的能源需求。通过动态调节，dvPVBE能够最大限度地利用日间、季节和年度的外部环境变化。在一天之内，dvPVBE通过在清晨增大百叶角度来减少照明负荷，在春、秋两季通过将百叶角度调节至45°左右，以充分利用自然采光和太阳能。在全年中，dvPVBE能够动态响应外部环境变化，实现HVAC、照明以及光伏之间的最佳平衡。总体而言，dvPVBE在全年净能源产出方面增长了226%以上，显示出其在清洁能源利用方面的显著优势。

此外，dvPVBE还具有积极的经济和环境效益。光伏发电余电上网为建筑物带来额外收益的同时，也有助于减少碳排放。为了量化结果，基于房间的净供暖和制冷面积（25.0 m2），对净能源产出、光伏收益以及碳排放进行了标准化处理。图6 [44]显示，与45°光伏百叶相比，dvPVBE的光伏收益和碳减排能力提高了227%。

3.3 研究的局限性

本研究中，我们提出了dvPVBE的概念，并通过与静态光伏百叶的比较，证明了其显著的节能潜力。然而，本研究仍然存在一些局限性。

本研究通过组合19个不同角度的静态光伏百叶，得到了dvPVBE逐日和全年的最优配置。这种方法虽然简单且通用，但可能无法完全满足实际应用中的需求。在实际应用中，dvPVBE需要能够实时响应天气和室内环境变化。因此，dvPVBE的动态调节需要基于实时传感数据。在未来的研究中，采用基于传感的机器学习控制方法有助于实现dvPVBE系统的真正动态性。

在模拟中，百叶的位置是固定的，其对能耗的影响有待深入研究。此外，来自周围建筑的阴影遮挡以及不同环境气候下的dvPVBE能耗表现也需要进一步探讨。动态百叶位置、建筑遮挡以及环境气候变化等因素将在未来研究中加以考虑。

包括百叶深度、间距、dvPVBE朝向以及光伏效率在内的其他因素值得深入研究。本研究采用的光伏组件为单晶硅电池，其效率为21.32%，仍具有提升空间。随着太阳能电池材料取得重大进展，硅太阳能电池的效率最近达到了26.7% [45]，而薄膜太阳能电池[如Cu(In,Ga)Se2]的效率达到了23.3% [46]，新兴的光伏技术（如钙钛矿电池）效率已经达到了25.6% [47]。这些进展为dvPVBE的应用提供了更高效的光伏组件选择。此外，通过在建筑物内集成储能系统，可以进一步提高光伏发电的利用率和dvPVBE的节能效果。dvPVBE的环境和经济效益同样值得关注，未来可以通过生命周期评估（LCA）和生命周期成本（LCC）分析进行研究[48]。LCA和LCC分析将有助于全面评估应用dvPVBE带来的环境影响和经济成本。

dvPVBE的另一个关键优势在于它能够为高层建筑的居住者提供令人愉悦的视野并享受自然风景。因此，室内光环境、工作效率、工作满意度和居住者幸福感等指标值得进一步探讨。同时，应全面考虑居住者对于眩光控制、户外视野和隐私保护的需求，以优化dvPVBE的设计和应用。

4 结论

在现代城市中，高层建筑广泛采用大面积玻璃幕墙，为发展dvPVBE提供了巨大的潜力。本研究提出了一种新型dvPVBE系统，该系统源自电动百叶，具有非凡的灵活性、卓越的建筑美学以及显著的节能潜力。结果表明，北京某集成了dvPVBE的办公室展现了优异的节能性能，为类似建筑节能提供了重要参考。本研究的主要发现总结如下。

（1）dvPVBE系统展示了出色的灵活性，其可调节的百叶角度和位置，能够有效应对天气变化。同时，其简单紧凑、可收放的结构也减轻了对建筑美学的负面影响。

（2）针对不同场景提出了PGP、NDP和ESP三种控制策略。利用EnergyPlus建立了基于PGP和ESP控制的建筑模型，以模拟dvPVBE在北京的能耗表现，并介绍了一种用于求解dvPVBE逐日和全年最优配置的通用方法。

（3）综合考虑HVAC、照明和光伏的影响，展示了dvPVBE的最优配置并对优化结果进行了深入分析，以指导动态控制。在北京一年中的大部分时间里，建议采用45°~60°的百叶角度，以平衡自然采光和太阳能利用。在清晨，尤其在冬季，建议使用较大的百叶角度，以允许足够的阳光进入室内并降低照明负荷。

（4）与静态PVBE相比，dvPVBE在全年具有更加优越的节能表现。dvPVBE的应用可以满足北京某办公室全年131%的能源需求，并且与静态光伏百叶相比，其净能源产出增加了226%以上，促进了净零能耗建筑的发展。

综上，本研究提出的dvPVBE是BIPV领域一个具有前景的重要应用，它为提升具有大面积玻璃幕墙的高层建筑的能效提供了关键途径。本研究的成果有望通过有效调节热负荷、自然采光和光伏发电，为建筑行业的节能减排和低碳发展作出重要贡献。

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